JP4111659B2 - プラズマノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に前処理するために用いられるプラズマノズルであって、作動ガスが通過するノズル通路を区画形成するチューブ状のケーシングと、前記ノズル通路内に同軸状に配置される電極と、前記ノズル通路を囲む対向電極とを有するプラズマノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のプラズマノズルは、ドイツ国出願ＤＥ１９５３２４１２Ａに開示され、たとえばプラスチック（合成樹脂）材料の表面を前処理するために用いられ、前処理された表面に、粘着剤、印刷用インキおよびこれに類するものを被覆することを可能にしている。このような前処理は次のような理由から必要である。すなわち、プラスチック表面は、通常では液体に対して濡れ性が良くなく、そのために、印刷用インキや粘着剤などを受け付けないことからである。前処理を行うことにより、プラスチック材料の表面構造を変化させることができ、比較的に大きな表面張力を持つ液体に対しても、濡れ性が良くなる。前処理された表面を濡らすことができる液体の表面張力は、前処理の品質の指標となる。
【０００３】
公知のプラズマノズルは、比較的に冷たく、それにも拘わらず比較的高反応性のプラズマジェットを提供し、そのジェットは、ロウソクの炎のような形と寸法を持ち、その結果、比較的に深い起伏を持つプロファイル形状のワークピースの前処理を可能としている。高反応性のプラズマジェットにより、短い前処理時間で十分であり、そのため、ワークピースは、比較的に高速度でプラズマジェットに対して通過移動させればよい。このように比較的低温度のプラズマジェットは、熱感応性プラスチック材料の前処理も可能としている。ワークピースの背面に対向電極を必要としないので、任意の厚いブロック状のワークピース、中空体およびこれに類するものの表面を、容易に処理することができる。より大面積の表面を均一に前処理するために、前記の公報では、互い違いに配置された複数のプラズマノズルの配列を提案している。しかしながら、この場合には、複雑な装備を必要とする。
【０００４】
比較的に大面積を表面処理するために、ドイツ国出願ＤＥ２９８０５９９９Ｕには、二つのプラズマノズルを、回転ヘッドに対して軸芯をずらした平行な軸芯を以て装着した装置が開示してあり、その回転ヘッドを用いて表面を走査した場合には、その回転ヘッドの直径に相当する幅を持つストライプ状に、前処理が達成されるようになっている。しかしながら、このような装置では、回転ヘッドの直径に相当する程度の曲率半径を持つ膨出面を処理するためには適さない。しかも、少なくとも二つのノズルの軸芯ずれ配置のためと、比較的に高い回転速度のために、たとえばロボットアームを用いて回転ヘッドを少なくとも一軸に沿って移動させる時に、比較的に大きな慣性力とジャイロスコープ力とが生じてしまう。
【０００５】
一般に、公知のプラズマノズルは、ノズル通路の軸方向に沿ってプラズマを吐出する。複雑な形状を持つワークピースの場合には、特にロボットを用いてワークピースに沿ってノズルを移動させる時に、処理すべき場所によってはジェットを届かせることが困難であるという課題を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
それ故に、本発明の目的は、プラズマジェットを、前処理すべき表面部分にまでより容易に到達させることができるプラズマノズルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記目的は、上述したタイプのプラズマノズルにおいて、口部と軸芯とを持ち、作動ガスが通過するノズル通路を区画形成するケーシングと、ノズル通路内に同軸状に配置される電極と、ノズル通路を囲む対向電極と、ノズル通路内に同軸上に配置される電極に高周波の交流を供給するための高電圧発生器とを有し、ノズル通路の口部の向きが、当該ノズル通路の軸芯に対して所定角度で傾斜していることを特徴とするプラズマノズルにより達成することができる。
【０００７】
このプラズマノズルによれば、ノズル通路の軸芯に対して傾斜したプラズマジェットを生成し、その結果、たとえばワークピースのアンダーカット部分などに対しても、より容易にジェットを到達させることができる。
【０００８】
このようにプラズマジェットが、ノズルの口部において、元の軸芯から偏向させられたとしても、実験により、プラズマジェットの安定性に悪影響を与えないと共に、表面の前処理効率にも悪影響を与えないことが確認された。
【０００９】
好ましい実施形態では、ノズル通路を構成するケーシング、またはそのケーシングの一部を、その長手軸芯回りに回転可能とする。ケーシングを高速で回転させ、プラズマノズルをワークピースに沿って通過移動させることで、一回の通過により、プラズマジェットの直径よりも可成り大きな幅のストライプ状に表面を処理することが可能になる。単一のノズルのみを用いることから、前述した回転ヘッドの場合に比較して、装置備品の複雑性を、可成り低減することができる。それに加えて、ケーシングが、それ自身の長手軸の回りに回転するために、慣性力を大幅に低減することができる。このように、本発明のプラズマノズルは、コンパクトな構成を有するにもかかわらず、比較的に大面積の効率的なプラズマ処理を実現することができる。
【００１０】
回転軸に対するプラズマジェットの偏向角度は、必要に応じて選択することができ、たとえば９０度以上もの角度にまでも設定することができる。その実施形態の場合には、パイプまたはチューブの内表面の前処理のために特に適している。押し出しチューブ成形のための押し出し成形用ダイの環状隙間の内部にプラズマノズルを装着することも可能であり、その場合には、押し出し成形機から押し出された直後に、押し出し成形のチューブに対して前処理することも可能である。
【００１１】
好ましくは、ケーシングは、前記電極と、ノズル通路の内部に装着してある作動ガス用供給システムとに対して、回転自在であり、前記電極とガス供給システムとは、回転不能に保持され、周囲ケーシングのみが回転される。その結果、作動ガスの供給のためと、電極への電力供給のためとには、滑動式接触部分、ロータリジョイント、またはこれに類するものを、何ら必要としない。対向電極は、回転するケーシングにより直接に形成しても良く、そのケーシングは、好ましくは接地され、そのことにより、ケーシングおよびそれに関連する回転駆動システムを保護して、接続または作業者の接触を防止する必要は少なくなる。
【００１２】
ケーシングの外周には、ケーシングを回転駆動するための駆動ディスクまたは噛み合いギアを具備しても良い。
【００１３】
従来技術で記述したタイプのプラズマノズルと同様に、作動ガスは、好ましくは渦巻き回転させられ、ノズル通路内を渦巻き状に流通し、電極と対向電極との間に形成される電気アークは、ノズル通路の口部領域に到達するまでは、その渦巻き中心部を通ることになる。このようにしてプラズマジェットは安定化され、渦巻き中心部では、作動ガスは、電気アークに対して緊密な接触に晒されることになり、プラズマの反応性が強化される。
【００１４】
その他の好ましい実施形態では、ノズル通路の口部が、口金部分に形成され、その口金部粉がケーシングに対して挿入して装着され、その口金部分の内部に、ケーシングの軸芯に対して傾斜する通路が形成される。口金部分の通路は、その下流端に向けてテーパ状に細くなるものであることが好ましい。
【００１５】
好ましくは、口金部分は、ケーシングの内部に、たとえばマグネット軸受または流体力学的軸受などのような非接触式の軸受により、回転自在に保持される。
【００１６】
対向電極は、その口金部分により形成することが好ましく、非接触式の軸受により、ケーシングと口金部分との間に隙間を形成し、その隙間の寸法は、当該隙間を通してアーク放電が生じ、口金部分の接地を可能とする程度の寸法に設定してあることが好ましい。
【００１７】
非接触式の軸受は、軸方向／半径方向軸受であっても良く、口金部分は、当該口金部分を通して流れる作動ガスにより軸受に対して流体力学的にバイアス付勢されるようにしても良い。
【００１８】
さらに、前記口金部分は、流体力学的手段により回転駆動されるものでも良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。ここにおいて、
図１はプラズマノズルの軸方向断面図、
図２は本発明の変形実施形態に係るプラズマノズルの口部付近の要部断面図である。
【００２０】
図１に示すプラズマノズルは、チューブ状ケーシング１０を持ち、そのケーシングは、図示するように、上部において拡径された部分を持ち、その拡径された上部は、軸受１２などの手段により固定支持チューブ１４に対して回転自在に保持してある。ケーシング１０の内部は、ノズル通路１６を形成しており、その通路は、支持チューブ１４の開口端から、図示上の下端部に位置するケーシングの端部にある口部１８に向けて案内するようになっている。
【００２１】
電気絶縁性のセラミック製パイプ２０が、支持チューブ１４内に挿入してある。たとえば空気などの作動ガスが、支持チューブ１４およびセラミック製パイプ２０を介してノズル通路１６の内部に供給される。セラミック製パイプ２０の内部に挿入してある渦巻きシステム２２を用いることにより、作動ガスは渦を巻き、ノズル通路１６を介して口部１８へと渦巻き状に流れる。その状態を、図において、螺旋形の矢印で示す。ノズル通路１６の内部では、渦巻き中心部分が形成され、その中心部分は、ケーシングの軸芯Ａに沿って延びることになる。
【００２２】
渦巻きシステム２２には、スタッド形状の電極２４が装着してあり、その電極は、ノズル通路１６へと同軸状に突出してあり、その電極には、高電圧発生器２６などの手段を用いて、高周波の交流が供給されるようになっている。金属で構成してあるケーシング１０は、軸受１２および支持チューブ１４を介して接地してあり、対向電極として機能し、電極２４とケーシング１０との間には、電気放電が生成される。高電圧発生器２６のスイッチが入れられると、渦巻きシステム２２および電極２４の位置で最初にコロナ放電が生成される。それは、高周波の交流によるためと、セラミック製パイプ２０の誘電特性とに基づく。次に、電極２４からケーシング１０に向けてのアーク放電が、コロナ放電により誘起される。この放電の電気アークは、作動ガスの渦巻き流れにより、渦巻き流れの中心部分内を通り、電極２４の先端から略直線状に沿って延び、ケーシング１０の口部に到達する場合でのみ、ケーシングの壁面に向けて半径方向に枝分かれする。このようにして、口部１８を通して存在するプラズマジェット２８が発生する。
【００２３】
ノズル通路の口部１８は、金属製口金部分３０により形成してあり、その口金部分は、ケーシング１０のねじ孔３２に対してねじ止めしてあり、その口金部分には、口部１８に向けてテーパ状に向けて細くなる通路３４が形成してあり、その通路３４は、軸芯Ａに対して傾斜するようになっている。このようにして口部１８から存在するプラズマジェット２８とケーシングの軸芯Ａとの成す角度は、図示する実施形態では、約４５度程度である。なお、その角度は、その口金部分３０を交換することにより、必要に応じて変化させることができる。
【００２４】
ケーシング１０の拡張された上部分は、摩擦ディスクまたは噛み合いギア３６を保持し、たとえば噛み合い歯付きベルトまたはピニオンギアなどを介してモータ（図示せず）などに駆動連結してある。動作に際しては、モータにより駆動されるケーシング１０が、軸芯Ａを中心として高回転数で回転させられ、その結果、プラズマジェット２８が、円錐の母線を描き、それが、処理すべきワークピースの表面上を掃射する。そして、プラズマノズルがワークピースの表面に沿って移動することで、または逆に、ワークピースがプラズマノズルに対して相対的に移動することで、プラズマジェット２８により描かれた円錐の直径に対応する幅のストライプ状に、ワークピースの表面に対する比較的に均一な前処理を達成する。前処理すべきストライプの幅は、ワークピースからの口部３０までの距離を変化させることにより制御することができる。ワークピースの表面上を照射して、それ自身が渦巻き回転するプラズマジェット２８により、プラズマを用いたワークピースの表面に対する強烈な処理が達成される。プラズマジェットの渦巻き回転方向は、ケーシング１０の回転方向に対して同じ方向でも異なる方向でも良い。
【００２５】
図２は、口金部分３０のみが、静止したケーシングに対して回転する実施形態を示す。ここでは、ケーシング１０は、その下流端において、円錐テーパ状に成形してあり、口金部分３０の拡径された円錐状の上流端部を受けるための軸方向／回転方向軸受を形成している。図示する実施形態では、その軸受は、マグネット軸受３８により形成してある。口金部分３０は、存在する空気の動圧の作用下で、ケーシング１０の軸受表面に対して押し付けられる一方で、他方において、マグネット軸受３８により、ケーシング１０に対して接触しないように保持され、その結果、外周面において、口金部分とケーシングとの間には、僅かに０．１から０．２mm程度の幅の小さな隙間が形成される。この隙間を通してのアーク放電により、口金部分３０が接地される。
【００２６】
口金部分３０のための回転駆動システムとして、図示する実施形態では、たとえばエアノズル４０が具備された流体力学的な駆動システムを採用してあり、エアノズルからの空気を口金部分の外周に具備してあるブレード４２に対して接線方向から吹き付けることにより、口金部分を回転させるようにしてある。また、変形例として、このような流体力学的な駆動システムは、口金部分の内部に具備してあるブレードまたはフィンにより提供されても良く、通路３４を通しての渦巻き流れが、これらのブレードまたはフィンに衝突するように構成してあっても良い。また、その他の変形例では、口金部分３０の回転移動は、口部１８の向きを周方向に沿って僅かに傾斜させることにより達成しても良く、口部から噴射される空気の反動により口金部分が回転するように構成しても良い。
【００２７】
このような本発明の実施形態では、回転駆動システムの構成を単純化することができ、回転する部材の慣性モーメントを最小限にできるという利点を持つ。
【００２８】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はプラズマノズルの軸方向断面図である。
【図２】 図２は本発明の変形実施形態に係るプラズマノズルの口部付近の要部断面図である。
【符号の説明】
１０… ケーシング
１２… 軸受
１４… 支持チューブ
１６… ノズル通路
１８… 口部
２０… パイプ
２２… 渦巻きシステム
２４… 電極
２８… プラズマジェット
３０… 口金部分３０
３４… 通路
３８… マグネット軸家
４０… エアノズル
４２… ブレード

Claims (19)

1. 特に前処理するために用いられるプラズマノズルであって、口部と軸芯とを持ち、作動ガスが通過するノズル通路を区画形成するケーシングと、
   前記ノズル通路内に同軸状に配置される電極と、
   前記ノズル通路を囲む対向電極と、
   前記ノズル通路内に同軸上に配置される前記電極に高周波の交流を供給するための高電圧発生器とを有し、
   前記ノズル通路の口部の向きが、前記ノズル通路の軸芯に対して所定角度で傾斜していることを特徴とするプラズマノズル。
2. 請求項１に記載のプラズマノズルであって、前記ケーシングが前記ノズル通路の軸芯回りに回転自在であるプラズマノズル。
3. 請求項２に記載のプラズマノズルであって、前記電極が静止して保持され、前記ケーシングが前記電極に対して回転自在であるプラズマノズル。
4. 請求項３に記載のプラズマノズルであって、前記ケーシングが支持チューブに対して回転自在に保持され、前記支持チューブを通して前記作動ガスが前記ノズル通路に供給されるプラズマノズル。
5. 請求項１に記載のプラズマノズルであって、前記対向電極が前記ケーシングにより形成してあるプラズマノズル。
6. 請求項５に記載のプラズマノズルであって、前記対向電極が接地してあるプラズマノズル。
7. 請求項３に記載のプラズマノズルであって、電気導電性の軸受を有し、その軸受が、支持チューブに対して前記ケーシングを回転自在に保持し、前記支持チューブを通して前記作動ガスが前記ノズル通路に供給されるように構成してあり、前記ケーシングが前記対向電極を形成し、前記電気導電性の軸受および支持チューブを介して前記ケーシングが接地してあるプラズマノズル。
8. 請求項７に記載のプラズマノズルであって、前記ケーシングの外周には、当該ケーシングを回転駆動するための駆動ディスクまたは噛み合いギアを具備しているプラズマノズル。
9. 請求項１に記載のプラズマノズルであって、前記ノズル通路の口部が、前記ケーシングに装着してある口金部分に形成してあり、口金部分の内部には、前記ケーシングの軸芯に対して傾斜している通路が区画形成してあるプラズマノズル。
10. 請求項９に記載のプラズマノズルであって、前記口金部分の通路が、その口金部分の下流端に向けて細くなるテーパ状にしてあるプラズマノズル。
11. 請求項９に記載のプラズマノズルであって、前記口金部分が前記ケーシングに対して回転自在にしてあるプラズマノズル。
12. 請求項１１に記載のプラズマノズルであって、前記口金部分が、非接触式軸受によりケーシングに保持してあるプラズマノズル。
13. 請求項１２に記載のプラズマノズルであって、前記対向電極が前記口金部分により形成され、前記非接触式軸受により、前記ケーシングおよび口金部分の間に隙間が形成され、前記隙間が、当該隙間を通してアーク放電が生じる程度の隙間寸法に設定されて、前記口金部分を接地するように構成してあるプラズマノズル。
14. 請求項１３に記載のプラズマノズルであって、前記非接触式軸受が、軸方向／半径方向軸受であり、前記口金部分が、当該口金部分を通して流れる作動ガスにより、前記軸受に対して流体力学的にバイアス付勢されることを特徴とするプラズマノズル。
15. 請求項１１に記載のプラズマノズルであって、前記口金部分が、流体力学手段により回転駆動されるプラズマノズル。
16. 請求項９に記載のプラズマノズルであって、前記口金部分が、前記ケーシングに対して着脱自在であるプラズマノズル。
17. 請求項１に記載のプラズマノズルであって、前記作動ガスを、前記ノズル通路内で渦巻き状に流すための渦巻きシステムをさらに有するプラズマノズル。
18. 請求項７に記載のプラズマノズルであって、前記作動ガスを、前記ノズル通路内で渦巻き状に流すための渦巻きシステムをさらに有するプラズマノズル。
19. 請求項１１に記載のプラズマノズルであって、前記作動ガスを、前記ノズル通路内で渦巻き状に流すための渦巻きシステムをさらに有するプラズマノズル。

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